硬件CPU的相关指标.doc

1、硬件 CPU 的相关指标CPU 的工作原理简单地说就像是一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(指令)，经过物资分 配部门 (控制单元)的调度分配，被送往生产线( 逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再 存储在仓库 (存储器)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用) 。了解了这样一种工作原理， 性能指标对 C PU 的影响自然也就显而易见了。一、主频、倍频和外频我们经常说“这款 C PU 的频率是多少多少“，其实这个泛指的频率是指 C PU 的主频，主频也就 是 CPU 的时钟频率，英文全称叫做 C P U C l o c k S p e ed，简单地说也就是 CPU 运算时

2、的工作频率 。一 般说来，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，当然C PU 的速度也就越快了。由于各 种 C PU 的内部结构不尽相同，所以并非时钟频率相同性能就一样。外频是系统总线的工作频率。倍 频则是指 C PU 外频与主频相差的倍数。三者有十分密切的关系:主频=外频倍频。二、内存总线速度内存总线速度的英文全称是 M e m o r y -B u s S p e ed 。CPU 处理的数据都是由主存储器提供的，而主 存储器也就是我们平常所说的内存了。一般我们放在外存(磁盘或者各种存储介质)上面的资料都要通过内存，然后再进入 C PU 进行处理，所以与内存之间的通道，也就是内存总线的

3、速度对整个系统的 性能就显得尤为重要。由于内存和 CPU 之间的运行速度或多或少会有差异，因此便出现了二级缓存， 来协调两者之间的差异。内存总线速度是指 C PU 二级(L 2)高速缓存和内存之间的通信速度。三、扩展总线速度扩展总线速度的英文全称是 E x p a n s i o n -B u s S p e ed 。扩展总线指的是微机系统的局部总线，如 VESA 或 PCI 总线。平时用户打开电脑机箱时，总可以看见一些插槽般的东西，这些东西又叫做扩展槽，上面可以插显卡、声卡之类的功能模块，而扩展总线就是 C PU 用以联系这些设备的桥梁。四、工作电压工作电压的英文全称是 Supply Vol

4、tage，即 CPU 正常工作所需的电压。早期 CPU(286 486 时代)的 工作电压一般为 5V，那是因为当时的制造工艺相对落后，以至于 C PU 的发热量太大，弄得寿命减短。随着 C PU 的制造工艺与主频的提高，近年来各种 C PU 的工作电压呈逐步下降的趋势，以解决发热过高的问题。五、地址总线宽度应当说地址总线宽度决定了 C PU 可以访问的物理地址空间，换句话说就是 C PU 到底能够使用多大 容量的内存。16 位的微机我们就不用说了，但是对于 3 86 以上的微机系统，地址线的宽度为 32 位， 最多可以直接访问 4 0 9 6 M B (4 G B)的物理空间。 六、数据总线

5、宽度数据总线负责整个系统的数据流量的大小，而数据总线宽度则决定了 CPU 与二级高速缓存、内存 以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。七、数学协处理器 4 86 以前的 CPU 没有内置数学协处理器，由于数学协处理器的主要功能就是负责浮点运算，因此 386 、2 86 和 8088 等 C PU 的浮点运算性能都相当落后，相信接触过 3 86 的朋友都知道主板上可以另外 加一个外置数学协处理器，其目的就是为了增强浮点运算的能力。4 86 以后的 C PU 一般都内置了数学 协处理器，功能也不再局限于增强浮点运算，含有内置数学协处理器的 C PU，玉林电脑城工程师程先生介绍说，可以加快特定

6、类型的 数值计算，某些需要进行复杂计算的软件系统，如高版本的 A u t o C AD 就需要数学协处理器支持。八、超标量超标量是指在一个时钟周期内 CPU 可以执行一条以上的指令。这在 486 或者以前的CPU 上是很难想象的，只有 P e n t i um 级以上 C PU 才具有这种超标量结构。4 86 以下的C PU 属于低标量结构，即在这 类 C PU 内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。九、L1 高速缓存L1 高速缓存也就是大家经常说到的一级高速缓存。C PU 内置高速缓存可以提高运行效率，这也是 486DX 比 386DX-40 快的原因。内置的 L1 高速缓存的容量

7、和结构对 C PU 的性能影响较大，容量越大，性 能也相对会提高不少，这也正是一些公司力争加大 L1 高速缓存容量的原因。不过高速缓冲存储器均由 静态 RAM 组成，结构较复杂，在 CPU 管芯面积不能太大的情况下，L1 级高速缓存的容量不可能做得太 大。十、采用回写(Write Back)结构的高速缓存采用回写结构的高速缓存对读和写操作均有效，速度较快 。而采用写通(Write-through)结构的高速缓存，仅对读操作有效。十一、动态处理动态处理是应用在高能奔腾处理器中的新技术，创造性地把 3 项专为提高处理器对数据的操作效 率而设计的技术融合在一起。这 3 项技术是多路分支预测、数据流量

8、分析和猜测执行。动态处理并 不是简单执行一串指令，而是通过操作数据来提高处理器的工作效率。1.多路分支预测即通过几个分支对程序流向进行预测，采用多路分支预测算法后，处理器便可参与指令流向的跳转。它预测下一条指令在内存中位置的精确度可以达到惊人的 9 0%以上。这是因为处理器在读取 指令时，还会在程序中寻找未来要执行的指令。这个技术可加速向处理器传送任务。2.数据流量分析抛开原程序的顺序，分析并重排指令，优化执行顺序。处理器读取经过解码的软件指令，判 断该指令能否处理或是否需与其他指令一道处理。然后，处理器再决定如何优化执行顺序以便高效 地处理和执行指令。3.猜测执行通过提前判读并执行有可能需要

9、的程序指令的方式提高执行速度。当处理器执行指令时(每次 5 条)，采用的是“猜测执行 “的方法。这样可使 P e n t i u m 处理器超级处理能力得到充分的发挥， 从而提升软件性能。被处理的软件指令是建立在猜测分支基础之上，因此结果也就作为“预测结果“ 保留起来。一 旦其最终状态能被确定，指令便可返回到其正常顺序并保持永久的机器状态。第四节 CPU 指令集为了提高计算机在多媒体、3D 图形方面的处理和应用能力，与 C PU 处理器相对应的，各种处理 器指令集应运而生，其中最著名的 3 种便是 I n t el 公司的 MMX 、SSE 和 AMD 的 3 D N o w!指令集。一、M

10、MX 指令集MMX(Multi Media eXtension，多媒体扩展指令集)指令集是 Intel 公司于 1 9 96 年推出的一项多 媒体指令增强技术。M MX 指令集中包括有 57 条多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据， 在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理 ，这样在软件的配合下，就可以得到更高的 性能。M MX 的益处在于，当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改便可以轻松地执行 M MX 程序。但是，问题也比较明显，那就是 M MX 指令集与 x 87 浮点运算指令不能够同时执行，必须做密集 式的交错切换才可以正常执行，这种情况就势必造成整个系统运行质量的下

11、降。二、S SE 指令集SSE(Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展 )指令集是 Intel 在 Pentium 处理器中率 先推出的。其实，早在 P 正式推出之前，Intel 公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的 KNI(Katmai New Instruction)指令集，这个指令集也就是 SSE 指令集的最早名称，并一度被很多传媒称之为 MMX 指 令集的下一个版本，即 M M X2 指令集。究其背景，原来“K NI “指令集是 I n t el 公司最早为其下一代 芯片命名的指令集名称，而所谓的“M M X2 “则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对“

12、KNI “的 评价，I n t el 公司从未正式发布过关于 M M X2 的消息。而最终推出的 SSE 指令集也就是所谓胜出的“互联网 S SE “指令集。S SE 指令集包括了70 条指令， 其中包含提高 3D 图形运算效率的 50 条 SIMD(单指令多数据技术)浮点运算指令、12 条 MMX 整数运算增强指令、 8 条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D 运算、视频处理、音频处理等诸多多媒 体应用起到全面强化的作用。S SE 指令与 3 D N o w!指令彼此互不兼容，但SSE 包含了 3 D N o w!技术的绝大 部分功能，只是实现的方

13、法不同。 SSE 兼容 M MX 指令，它可以通过 SIMD 和单时钟周期并行处理多个浮 点数据来有效地提高浮点运算速度。三、3D Now !指令集由 AMD 公司提出的 3DNow!指令集应该说出现在 SSE 指令集之前，并被 AMD 广泛应用于其 K6-2 、K6- 3 以及 A t h l o n (K 7)处理器上。3DNow!指令集技术其实就是 21 条机器码的扩展指令集。与 Intel 公司的 M MX 技术侧重于整数运算有所不同，3DNow! 指令集主要针对三维建模、坐标变换 和效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高 3D 处理性能。第五节 当前 CPU 的技术特

14、点一、制造工艺-更细的线宽近两年来主流 CPU 最显著的技术特征之一就是 CPU 制造工艺的进步。早期的 C PU 处理器采用的大 多是 0.5 微米制造工艺。随着 CPU 频率的提高，0.35 微米及曾经普遍使用的 0.25 微米工艺成为 C PU 市场的主流。从 P C o p p e r m i n e(铜矿)处理器开始，采用 0.18 微米制造工艺的 C PU 开始出现。由 于采用了更精细的工艺，使得原有晶体管门电路更大限度地缩小，因此在同样的面积内可以集成更 多的晶体管。晶体管越做越小，能耗自然也就随之降低，C PU 也可以更省电。另一方面，传统的芯片内部大多使用铝作为导体，由于芯片

15、速度不断提高，面积不断缩小，铝 线的性能极限已达临界，在这种情况下，铜导线技术初显端倪。铜导线技术与铝导线技术相比， 玉林工业品市场 电脑批发部工程师张万先生介绍说，优势在于导电性能更佳，发热量更小，可以有效提高 C PU 芯片的稳定性。在 0 .18 微米制造工艺之后， 采用 0.13 微米制造工艺的 CPU 也即将上市，更快的处理器频率必将推进铜导线技术全面取代铝导线技 术。二、封装方式-Socket 架构是主流S E C C2 封装、F C -P GA 封装、BGA 封装;S l o t A 、S o c k e t 3 70 、S o c k e t 4 62 现在，如果您 有一段时

16、间不关注 IT 媒体或者隔两个月再去一趟配件市场，您必定会惊奇地发现，CPU 又变了。以 市场上最常见的 S o c k et 系列为例，主流的 F C -P GA 封装对应的自然是 S o c k e t 3 70 接口，这种插脚接 口是一种方形的多针角零插拔力插座，插座上有一根拉杆，在安装和更换 C PU 时只要将拉杆向上拉 出，就可以轻易地插进或取出CPU 芯片了。在 S o c k e t 3 70 插座上可以安装最新的 P C o p p e r m i ne 处理器、C e l e r on 系列处理器和 VIA 的 C y r i x 处理器等。再来看看 Slot 系列的 Slo

17、t 1 和 Slot A 。Slot 1 接口方式是由 Intel 公司最早提出来的一种狭长 的 242 引脚插槽，可以支持采用 SEC(单边接触)封装技术的早期 Pentium 、Pentium 和 Celeron 处理器。除了接口方式不同外，S l o t 1 所支持的特性与 S u p e r 7 系统没有太大的差别。S l o t A 接 口标准则是由 A MD 提出的，支持 AMD 的 K7 处理器。虽然从外观上看 S l o t A 与 S l o t 1 十分相像，但 是由于它们的电气性能不同，两者并不兼容。进入 2 0 00 年，随着 A t h l on 将自己的 L 2 C

18、 a c he 放入 Die(芯片内核)，Socket 接口的 A t h l on 出 现也成为可能，于是伴着 A M D T h u n d e r b i r d(雷鸟) 处理器的诞生，S o c k e t A(也称 S o c k e t 4 6 2)封装随之出现。 S o c k e t A 接口的大小与 S o c k e t 7 和 S o c k e t 3 70 类似，但其接口在整体的布局 中缺了一些针脚，这就是为了防止在将 S o c k e t 3 70 处理器插入插槽时发生意外的错误。但并不 是所有的 T h u n d e r b i r d(雷鸟) 处理器都是 S

19、 o c k e t A 封装，为了支持其 O EM 的 S l o t A 系统设计， 市场上 S l o t A 封装的 T h u n d e r b i rd 和 S o c k e t A 的雷鸟都可以见到，这也是让普通消费者在选择 时极易产生误会的地方。封装方式的改变表面上看只是外形上的变化，其实不然，技术、成本 和消费者最关心的最终价格与 C PU 的封装方式可以说是密不可分的，因此大家在关注 C PU 性能的同 时，千万不要忽视了 C PU 的封装技术。三、缓存-全速 L2 Cache缓存就是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与 C PU 交换数据，因此速度极快，所 以

20、又称为高速缓存。与处理器相关的缓存一般分为两种:L1 Cache(片内缓存)和L2 Cache(二级缓存) 。Pentium 时代的处理器把 L1 Cache 集成在 CPU 内部，而 L2 Cache 则做在主板上以与C PU 外频相同的频率工作。到了 S l o t 1 时代， P e n t i u m 处理器的缓存封装方式与旧的 S o c k e t 7 架构完全不同， L 2 C a c he 开始做到了处理器上，并以处理器速度一半的频率工作，这便是I n t el 引以为荣的双独立 总线结构。在这种结构中，一条总线联接 L2 高速缓存，另一条负责系统内存，这样便使整个系统的速度得

21、到了很大的提高。后来 AMD 在其 S u p e r 7 平台的最后一款产品 K6-3 中首次使用了三级缓存技术，它包括一个全速 6 4 K B L 1 C a c he，一个内部全速 256KB L2 Cache，还有主板上运行在100MHz 频率下的 L 3 C a c he 。这种三级缓存技术使得 K6-3 的性能有很大提高，与同频的 Pentium 相比，其速度也要略快一筹。 而在新一代 CPU 技术中，缓存技术得到了更进一步的发展，如 A M D D u r o n(钻龙，俗称毒龙) 处理器 的 L2 Cache 已为 6 4 KB，L1 Cache 高达 1 2 8 KB，高端的

22、Thunderbird(雷鸟 )处理器更是达到了 128KBL1 Cache 和 256KB L2 Cache 的高速缓存。从理论上讲， L2 Cache 全内置并与处理器同频工作是大势所趋，而这 也正是决定 C PU 处理器性能的一个关键环节所在。四、指令集-M M X 、S S E 和 3DNow !唱主角2000 年的主流 CPU 产品似乎更关注于在硬件技术上的 推陈出新，并没有在 C PU 指令集方面出更多的新招。应 用最广泛的仍然是 Intel 的 MMX 、SSE 和 AMD 的 3DNow!指令集，并且将继续向前发展。而 V IA 的 Cyrix 处理器则同时支持 Intel 的 M MX 和 AMD 的 3DNow!多媒体指令集。